姜?jiǎng)倮?，楊北輝，王輝華，吳能峰

（1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭411101；2.深圳市英威騰交通技術(shù)有限公司，深圳 518055）

0 引 言

大型礦用電動(dòng)輪自卸車是大型露天礦山的主要運(yùn)輸工具.本世紀(jì)初國內(nèi)從美國引進(jìn)的某300t交流傳動(dòng)自卸車牽引系統(tǒng)，其核心部件是采用IGBT構(gòu)成的牽引逆變器.牽引逆變器在結(jié)構(gòu)上由3個(gè)牽引相模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)將直流電變換成交流電.由于外方備品特別昂貴，逆變器控制方法老舊，系統(tǒng)保護(hù)缺乏，故障率居高不下，因此研究國產(chǎn)化牽引逆變器進(jìn)行替代是很有必要的.

1 牽引逆變器概要

交流發(fā)電機(jī)輸出三相交流電，交流電經(jīng)整流器變換為直流電，逆變器將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟妷合驙恳姍C(jī)供電，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)三相交流牽引電機(jī).

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

牽引逆變器主要由整流器、牽引相模塊、制動(dòng)接觸器、逆變控制單元（ICU）及系統(tǒng)控制單元（SCU）等組成.

主要技術(shù)參數(shù)如下所示.

（1）額定控制容量1200kW ×2

（2）輸入電壓AC 450～1300V

（3）輸出電壓 三相AC 0－1100V

（4）最大牽引電流1320A

（5）最大制動(dòng)電流1280A

（6）輸出頻率0～179Hz

（7）IGBT最大開關(guān)頻率900Hz

（8）控制方式 矢量控制

（9）控制電壓 DC 24V

圖1 牽引逆變器主電路圖

1.2 主電路

逆變主電路采用二電平電壓型交－直－交逆變電路.每輛動(dòng)車裝有兩個(gè)牽引IGBT逆變器單元，每個(gè)逆變器單元分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)的異步牽引電動(dòng)機(jī).

發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電壓經(jīng)過交流濾波回路FP，整流裝置、濾波電容CF接入到逆變器內(nèi).電阻制動(dòng)環(huán)節(jié)為接觸器和IGBT組件組合.SV1為電壓傳感器，檢測逆變器外部濾波電容CF中間直流網(wǎng)壓.SC1～SC6為電流傳感器，SC1和SC2分別檢測直流電流，SC3～SC6檢測逆變器的輸出相電流.INV1和INV2為逆變器功率單元.

1.3 相模塊

每個(gè)逆變器功率單元包括3個(gè)相模塊，相模塊原理如圖2所示，由4個(gè)1200A／3300V構(gòu)成的2個(gè)橋臂并聯(lián)而成一個(gè)相模塊，用于吸收關(guān)斷過電壓的電阻、電容和二極管組成的非對(duì)稱式吸收電路布置在與IGBT連接的低感母排上.

圖2 相模塊原理圖

1.4 控制單元

控制單元由逆變控制單元（ICU）及系統(tǒng)控制單元（SCU），ICU和SCU通過高速串行總線用光纖連接.

1.4.1 系統(tǒng)控制單元有如下幾個(gè)功能：

●控制啟動(dòng)次序.

●控制礦車狀況.

●設(shè)置扭矩指令并且發(fā)送給逆變器控制模塊.

●控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.

●控制牽引交流發(fā)電機(jī)磁場.

●控制動(dòng)力制動(dòng)接觸器，繼電器，警示燈等.

●控制關(guān)閉次序.

●故障檢測.

1.4.2 逆變控制單元功能如下：

●控制電動(dòng)輪扭矩和速度.

●計(jì)算實(shí)際電流.

●啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置和安全防護(hù).

●旋轉(zhuǎn)／滑動(dòng)控制.

●故障檢測.

2 改造方案

2.1 相模塊改造

原設(shè)計(jì)方案，支撐電容和IGBT模塊采用電纜連接，在IGBT模塊附近設(shè)置吸收裝置，早期GTO模塊設(shè)計(jì)方法即是如此.電容與IGBT模塊之間雜散電感較大，容易導(dǎo)致產(chǎn)生主回路振蕩.為抑制振蕩采用RCD吸收，電容和吸收二極管需要安裝在模塊上面，導(dǎo)致母排設(shè)計(jì)復(fù)雜，可靠性大為降低.驅(qū)動(dòng)電路沒有軟關(guān)斷功能，在模塊短路情況下硬關(guān)斷導(dǎo)致過電壓擊穿IGBT.

根據(jù)分析，IGBT模塊與支撐電容采用低感疊層母排直接連接，支撐電容直接安裝在開關(guān)橋臂上，不需要吸收回路，改造后的相模塊原理圖如圖3所示.通過疊層母排把三個(gè)相模塊連接到一起，盡量減小各并聯(lián)電容器之間的連接等效電感與電阻，以消除各并聯(lián)電容器之間的諧振現(xiàn)象.驅(qū)動(dòng)電路需要軟關(guān)斷，盡量避免短路情況下IGBT過電壓擊穿.

圖3 改造后相模塊原理圖

2.2 控制單元改造

原逆變控制單元（ICU）及系統(tǒng)控制單元（SCU）系統(tǒng)采用232通信，通信速率低且可靠性不高.改造后采用CAN＋光纖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大提高了可靠性.系統(tǒng)采用32位DSP替代原系統(tǒng)的80C196單片機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)算速度、精度和可靠性大為提高.系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 改造后控制單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 控制策略的制定

3.1 基于諧波消除的矢量控制

大型礦用自卸車交流傳動(dòng)系統(tǒng)由于驅(qū)動(dòng)輪分別由不同牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩控制完全由逆變器控制，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性就顯得尤為重要.本系統(tǒng)采用了基于諧波消除（SHE：Selected Harmonic Elimination）的矢量控制方法，可以有效地控制逆變器輸出諧波，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如圖5所示.

由于逆變器輸出諧波特別是低次諧波所帶來的附加轉(zhuǎn)矩、諧波損耗和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，給牽引電機(jī)運(yùn)行帶來電磁噪聲污染、發(fā)熱、振動(dòng)甚至諧振不利影響.根據(jù)人為設(shè)計(jì)的逆變器輸出波形的特點(diǎn)及擬消除諧波的次數(shù)和個(gè)數(shù)來建立輸出波形的數(shù)學(xué)模型，然后由數(shù)學(xué)模型求解開關(guān)角以得到所希望的輸出波形，從而達(dá)到使逆變器的輸出波形中不含擬消除次數(shù)及個(gè)數(shù)諧波的目的.對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，三的整數(shù)倍次諧波因同相而被自動(dòng)消除.諧波只有是非三的整數(shù)倍的奇數(shù)才需要消除.

圖5 諧波消除示意圖

3.2 PWM調(diào)制策略

對(duì)于牽引逆變器而言，母線電壓波動(dòng)大，因此如何充分利用直流電壓，以期獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，是PWM調(diào)制時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素.特別是牽引電機(jī)運(yùn)行在高速弱磁階段時(shí)，為了獲得足夠的電壓，必需進(jìn)行過調(diào)制.空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）能夠?qū)⑤敵鲭妷禾岣叩椒讲ür時(shí)的90.69%，在低速載波比較高時(shí)能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分.中速段采用同步調(diào)制，同步調(diào)制是指載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)頻率比保持不變，信號(hào)波一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的，正負(fù)半周期及前后1／4周期脈沖都是對(duì)稱的，所以偶次諧波及3的倍數(shù)次諧波自動(dòng)消除.高速段采用諧波消除PWM同步調(diào)制，在提供輸出電壓同時(shí)可以對(duì)低次諧波輸出進(jìn)行抑制.

本系統(tǒng)不同速度段采用不同的調(diào)制策略，低速采用異步調(diào)制，如圖6所示.然后進(jìn)入21脈沖和15脈沖同步調(diào)制，進(jìn)行精確的矢量控制獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩.在高速段采用諧波消除同步調(diào)制，對(duì)逆變器輸出特定諧波進(jìn)行消除，包括15脈沖、11脈沖、9脈沖、7脈沖、5脈沖、3脈沖調(diào)制，模式切換點(diǎn)有1～2Hz的滯環(huán).最后進(jìn)入方波調(diào)制.

圖6 逆變器調(diào)制模式示意圖

4 試 驗(yàn)

系統(tǒng)試驗(yàn)采用2臺(tái)1200kW電機(jī)對(duì)拖，兩臺(tái)逆變器分別拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，分別模擬車輛在不同速度下的輸出工況.

圖7～圖10是逆變器在重載情況下的輸出電流波形.可以看到電流波形比較平順，沒有振蕩，對(duì)稱性較好.圖11為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)輸出諧波電流，可以看到基波電流為100，5次諧波為0.93，7次諧波為0.95，11次諧波為3.26，低次諧波基本被消除了.圖12為牽引逆變器在重載下進(jìn)行牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換波形，牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換平順，無電流過沖.

以上試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果表明，牽引電機(jī)在重載下能平穩(wěn)啟動(dòng)，牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換比較平順；各種調(diào)制模式下轉(zhuǎn)換電流波形沒有沖擊，尤其是諧波消除技術(shù)顯著降低電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).試驗(yàn)結(jié)果滿足電動(dòng)輪自卸車牽引逆變器改造要求.

5 結(jié) 語

成功對(duì)牽引逆變器進(jìn)行國產(chǎn)化替代是大大降低了礦山此類車輛運(yùn)營成本.該系統(tǒng)采用大功率IGBT功率模塊和低感母排技術(shù)，控制單元采用32位高速DSP控制，保護(hù)功能完備.通過地面及運(yùn)行試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠很好地滿足大型交流傳動(dòng)礦用自卸車牽引制動(dòng)要求，對(duì)于其他進(jìn)口交流牽引系統(tǒng)的改造也很有參考價(jià)值.

［1］陳伯時(shí).電力電子與電力傳動(dòng)自動(dòng)化［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］余 強(qiáng).上海地鐵車輛主逆變器GTO牽引相模塊的IGBT替代研制［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2008（3）：29－31.

［3］楊北輝.大型礦用電動(dòng)輪自卸車交流傳動(dòng)系統(tǒng)的研制［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（2）：28－31.

［4］黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

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［6］佟為明.PWM逆變器特定消諧式諧波抑制技術(shù)的研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工學(xué)博士學(xué)位論文，1999.